内容介绍

一、所选任务：

【入门级题目2：姿态监测终端】

利用6轴IMU以50Hz以上采样率实时采集姿态数据，计算俯仰角、横滚角等姿态信息，并通过OLED或PC端实时显示设备姿态。当倾斜角超过设定阈值（如60°）或姿态变化异常时，1秒内触发报警。

推荐开发板：MAX32655FTHR、MAX32690EVKIT

二、项目简介

基于MAX32690主控与MPU6050传感器构建主从式姿态监测终端，通过实时解算俯仰、横滚及偏航角并在TFT屏幕上以三维旋转立方体直观呈现，同时利用蓝牙将数据透传至下位机进行阈值判定与越限硬件警报，实现了一套集姿态可视化与分布式预警于一体的综合系统

三、硬件部分

硬件包括两个部分： 1. MAX32690 EVKIT开发板＋MPU6050姿态传感器+HC-04蓝牙模块

2. STM32F103C8T6开发板+0.96寸OLED单色显示屏+TW-TTS语音合成模块+扬声器+HC-04蓝牙模块

硬件部分组成如下图所示。

第一部分：

MAX32690EVKIT主控板：搭载Arm‑Cortex‑M4F 内核，120MHz 主频，带有硬件 FPU 浮点运算单元，承担上位机逻辑，负责 IMU 原始数据读取、姿态解算算法运算、蓝牙数据收发处理；

MPU‑6050 六轴 IMU 姿态传感器：用于产生三轴加速度与三轴陀螺仪原始运动数据，为姿态解算提供数据源；

HC‑04 蓝牙透传模块：是支持SPP经典蓝牙和BLE低功耗蓝牙的双模蓝牙且是主从一体，用于主从机之间的相互通信，在这里充当发送端，负责接收串口信息透传至下位机蓝牙。

第二部分：

STM32F103C8T6：作为项目下位机，接收上位机蓝牙下发的数据与指令，完成业务逻辑响应、外设驱动控制；

0.96寸OLED显示屏：用于显示stm32的交互内容；

tw-tts语音合成模块：可通过串口合成语音音频信号，用于合成警报声音；

扬声器：对接 TW‑TTS 音频输出引脚，播放模块生成的警报语音；

HC‑04 蓝牙透传模块：这里充当接收端，负责接收上位机蓝牙信息信息发送至串口。

四、软件部分

软件方案框图

4.1 初始化代码配置

本项目采用 CodeFusion Studio（CFS）完成工程初始化代码搭建，项目不启用 RISC‑V 内核，全部代码均在 Cortex‑M4 内核上运行，借助软件图形化配置界面，即可快速完成所需硬件外设的配置。点击生成代码后所有的初始化代码将放置在soc_init.c文件中。

4.2 读取六轴数据

在MPU6050.c文件中，调用WriteReg函数完成 MPU6050 传感器的寄存器配置。采样率分频系数配置为0x09，即10分频，计算可得实际采样率约 100 Hz，高于题目要求的 50 Hz。若需要进一步提升采样率，可减小分频系数，但分频系数过小会容易造成输出数据不稳定。

WriteReg(addr, MPU6050_REG_PWR_MGMT_1, 0x01);     /* 唤醒 + PLL X 陀螺 */
WriteReg(addr, MPU6050_REG_PWR_MGMT_2, 0x00);     /* 全部轴使能 */
/*
    MPU6050采样率计算公式(DLPF开启时陀螺内部输出基准1kHz):
    SampleRate = GyroOutputRate / (1 + SMPLRT_DIV)
    SampleRate = 1000 / (1 + div)
    实际采样率(Hz): 1000/(1+9)=100Hz, div=9(0x09), 采样时间dt = 1.0f / 100.0f = 0.01s
*/
WriteReg(addr, MPU6050_REG_SMPLRT_DIV, 0x09);     /* 采样率 */
WriteReg(addr, MPU6050_REG_CONFIG, 0x06);          /* DLPF */
WriteReg(addr, MPU6050_REG_GYRO_CONFIG, 0x18);     /* ±2000°/s */
WriteReg(addr, MPU6050_REG_ACCEL_CONFIG, 0x18);    /* ±16g */

在cube3d.c中，集成了 MPU6050 姿态解算（俯仰/横滚/偏航），实现 3D 立方体的旋转投影、画家算法深度排序，以及基于 RGB565 帧缓冲和局部脏矩形刷新的高效 TFT 显示。同时，根据角度阈值触发 LED 闪烁与立方体面色变换的声光报警，并在屏幕上实时输出姿态、加速度、陀螺仪、帧率及蓝牙透传指令等数据。

4.3 姿态解算、屏幕显示和阈值响应

4.3.1 三维旋转投影

将立方体 8 个顶点按欧拉角进行三轴旋转，并正交投影到屏幕坐标，同时存储旋转后的 Z 值供深度排序。以下包含完整的旋转矩阵计算与顶点处理循环。

static void Cube3D_Project(void)
{
    float cx = cosf(ang_x), sx = sinf(ang_x);
    float cy = cosf(ang_y), sy = sinf(ang_y);
    float cz = cosf(ang_z), sz = sinf(ang_z);

    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        float x = orig_verts[i][0];
        float y = orig_verts[i][1];
        float z = orig_verts[i][2];

        /* Y 旋转 */
        float x1 = x * cy - z * sy;
        float z1 = x * sy + z * cy;

        /* X 旋转 */
        float y2 = y * cx - z1 * sx;
        float z2 = y * sx + z1 * cx;

        /* Z 旋转 */
        float x3 = x1 * cz - y2 * sz;
        float y3 = x1 * sz + y2 * cz;

        rotated_z[i] = z2;

        screen_pts[i][0] = (int16_t)(CUBE_CENTER_X + x3 * CUBE_SCALE);
        screen_pts[i][1] = (int16_t)(CUBE_CENTER_Y + y3 * CUBE_SCALE);
    }
}

4.3.2 画家算法（面深度排序）

计算每个面的平均深度，使用插入排序将 6 个面按从远到近排列，后续按此顺序绘制，以实现正确的遮挡。这里包含深度计算、排序循环及后续绘制调用。

float face_depths[NUM_FACES];
int face_order[NUM_FACES];
for (int f = 0; f < NUM_FACES; f++) {
    face_depths[f] = (rotated_z[faces[f][0]] + rotated_z[faces[f][1]]
                    + rotated_z[faces[f][2]] + rotated_z[faces[f][3]]) * 0.25f;
    face_order[f] = f;
}
for (int i = 1; i < NUM_FACES; i++) {
    int key = face_order[i];
    float kd = face_depths[key];
    int j = i - 1;
    while (j >= 0 && face_depths[face_order[j]] > kd) {
        face_order[j + 1] = face_order[j];
        j--;
    }
    face_order[j + 1] = key;
}
// 后续按排序绘制每个面
for (int fi = 0; fi < NUM_FACES; fi++) {
    int f = face_order[fi];
    int v0 = faces[f][0], v1 = faces[f][1], v2 = faces[f][2], v3 = faces[f][3];
    uint16_t fc = alert_color ? alert_color : face_colors[f];
    fb_fill_triangle(screen_pts[v0][0], screen_pts[v0][1],
                     screen_pts[v1][0], screen_pts[v1][1],
                     screen_pts[v2][0], screen_pts[v2][1], fc);
    fb_fill_triangle(screen_pts[v2][0], screen_pts[v2][1],
                     screen_pts[v3][0], screen_pts[v3][1],
                     screen_pts[v0][0], screen_pts[v0][1], fc);
}

4.3.3 脏矩形局部刷新（包围盒计算与刷新调用）

计算旧顶点（old_pts）和新顶点（screen_pts）的包围盒，求并集得到“脏矩形”，仅清除和刷新该区域，避免全屏重绘，大幅提升性能。以下包含包围盒计算、合并及刷新调用。

int16_t box1_x, box1_y, box1_w, box1_h;
pts_bbox(old_pts, &box1_x, &box1_y, &box1_w, &box1_h);
int16_t box2_x, box2_y, box2_w, box2_h;
pts_bbox(screen_pts, &box2_x, &box2_y, &box2_w, &box2_h);

int ux, uy, uw, uh;
union_bbox(box1_x, box1_y, box1_w, box1_h,
           box2_x, box2_y, box2_w, box2_h,
           &ux, &uy, &uw, &uh);

fb_clear_rect(ux, uy, uw, uh, BLACK);
// ... 绘制所有内容 ...
fb_flush_rect(ux, uy, uw, uh);

4.3.4 角度阈值报警和透传警报指令（LED + 面颜色切换+蓝牙串口透传）

根据俯仰/横滚绝对值最大值触发不同级别警报（≥60° 红色闪烁，≥45° 绿色闪烁），控制 GPIO 驱动 LED 并改变立方体面颜色。设有两级透传指令，当对应阈值判断条件达成后通过串口连接蓝牙透传对应的警报指令。以下包含完整的阈值判断、GPIO 操作和 alert_color 设置。

int ap = (pitch_deg > 0) ? pitch_deg : -pitch_deg;
int ar = (roll_deg  > 0) ? roll_deg  : -roll_deg;
int max_a = (ap > ar) ? ap : ar;
uint16_t alert_color = 0;
if (max_a >= 60) {
    alert_color = ((ms / ALERT_FLASH_MS) & 1) ? WHITE : RED;
    printf("1\n");
    if ((ms / (ALERT_FLASH_MS / 1)) & 1){
        MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO2, MXC_GPIO_PIN_12);
        MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO0, MXC_GPIO_PIN_14);
    }else
        MXC_GPIO_OutClr(MXC_GPIO0, MXC_GPIO_PIN_14);
} else if (max_a >= 45) {
    alert_color = ((ms / ALERT_FLASH_MS) & 1) ? WHITE : GREEN;
    printf("2\n");
    if ((ms / ALERT_FLASH_MS) & 1){
        MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO0, MXC_GPIO_PIN_14);
        MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO2, MXC_GPIO_PIN_12);
    }else
        MXC_GPIO_OutClr(MXC_GPIO2, MXC_GPIO_PIN_12);
} else {
    MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO0, MXC_GPIO_PIN_14);
    MXC_GPIO_OutSet(MXC_GPIO2, MXC_GPIO_PIN_12);
}

4.3.5 数据显示（加速度、陀螺仪、帧率等）

在屏幕固定位置实时显示姿态角（俯仰/横滚/偏航）、加速度计（AX/AY/AZ）、陀螺仪（GX/GY/GZ）以及帧率（FPS），便于调试和状态监控。以下为所有TFT显示各类名称缩写和对应数据的代码。

fb_string(2, 2, "P:", GREEN);
fb_signed_number(18, 2, pitch_deg, GREEN);
fb_string(2, 14, "R:", CYAN);
fb_signed_number(18, 14, roll_deg, CYAN);
fb_string(2, 26, "Y:", YELLOW);
fb_signed_number(18, 26, yaw_deg, YELLOW);
fb_string(2, 38, "AX:", WHITE); fb_signed_number(25, 38, ax, WHITE);
fb_string(2, 50, "AY:", WHITE); fb_signed_number(25, 50, ay, WHITE);
fb_string(2, 62, "AZ:", WHITE); fb_signed_number(25, 62, az, WHITE);
fb_string(2, 74, "GX:", WHITE); fb_signed_number(25, 74, gx+5, WHITE);
fb_string(2, 86, "GY:", WHITE); fb_signed_number(25, 86, gy-2, WHITE);
fb_string(2, 98, "GZ:", WHITE); fb_signed_number(25, 98, gz+2, WHITE);
frame++;
uint32_t fps = (ms > 0) ? (frame * 1000 / ms) : 0;
fb_string(65, 100, "FPS:", YELLOW);

五、项目演示

当 MPU6050 处于平稳静止状态时，三轴欧拉角均趋近于 0°，此时阈值判定条件不满足，系统无报警触发，LED 熄灭，立方体以预设的六面色正常渲染，TFT 数据显示当前接近零位的姿态数值。

lQDPKHsEYYjwdOfNAtDNBP-wj6ZJizjCJRoKbjCYqwLrAA_1279_720.jpg

正常状态

当 MPU6050 的俯仰或横滚角绝对值达到 45° 及以上但未超过 60° 时，系统判定为轻度倾斜，触发绿色级别报警。此时立方体各面颜色在原始色与绿色之间以 500ms 周期交替闪烁，同时板载双色 LED 呈现绿色闪烁提示。TFT 界面持续更新实时角度值，报警状态随角度回落至 45° 以下时自动解除，LED 熄灭并恢复原始面颜色。

lQDPJwMj13Wp1efNAtDNBP-wo74-aovNOoEKbjCZxFp7AA_1279_720.jpg

轻度倾斜(≥45° & <60°)

当俯仰或横滚角绝对值达到 60° 及以上时，系统判定为严重倾斜，触发红色级别报警。此时立方体各面颜色在白色与红色之间快速闪烁，同时板载双色 LED 切换为红色闪烁模式。报警期间 TFT 仍保持所有传感器数据的实时刷新，直至角度回落至 60° 以下时切换至绿色报警级别（若仍 ≥45°）或完全恢复（<45°）。

lQDPJxMFSHXFFufNAtDNBP-w1IFrCiqVqEEKbjCaWTKQAA_1279_720.jpg

重度倾斜(≥60°)

下面是工程的完整流程图：

工程整体流程图

遇到的问题

偏航角漂移与异常数据：陀螺仪积分累积误差导致偏航角无法归零，振动和噪声引发加速度计/陀螺仪数据跳变，影响姿态显示可靠性。
TFT 渲染效率不足：软件 SPI 传输速率有限，且与姿态解算、屏幕绘制共享 CPU，算力瓶颈导致帧率波动，画面流畅度不完美。

未来解决方案：传感器层面采用滑动平均滤波、限幅去野值及动态零偏校准，并计划外接磁力计实现9轴融合，从根源抑制漂移；显示层面引入硬件 SPI 或 DMA 加速传输，优化渲染管线，释放 CPU 算力，提升整体运行流畅度。

另外在通信设备上，目前使用的是蓝牙发送与接收，未来可以引入 MQTT 协议，通过 Wi-Fi 或以太网接入物联网平台，可大幅提升系统通信的灵活性和可扩展性。

总结与感受

本次项目中，我第一次体验了通过CodeFusion Studio™来完成工程搭建，在工程搭建的过程中，ADI 提供的开源 SDK、硬件抽象层与项目创建向导，借助图形化编程页面完成引脚、外设的可视化配置，极大降低了底层配置难度，让我有了一个全新的代码体验。整个项目给我印象最为深刻的点是 CodeFusion Studio 图形化配置带来的开发体验，通过图形化就可以快速完成引脚与外设的配置。以往做嵌入式开发时，底层寄存器、外设初始化配置往往会耗费大量调试时间。因此，这套开发环境让我体会到现代化嵌入式工具链对开发效率的提升。在项目开发中，AI的使用也是必不可少的，现在在代码开发中，感觉AI的比重越来越不可估量了，合理的利用AI可以省去大量查阅资料和解决问题的时间，让我们可以更加专注于项目方案本身的开发中。

最后，感谢ADI和硬禾学堂举办此次比赛，也感谢工作人员和答疑解惑，使我学到了很多新知识，期待未来可以带来更多精彩的活动。